-in-WG16.jpg/1280px-Isolator-(resonance-absorption-type)-in-WG16.jpg)
Изолятор — это двухпортовое устройство , передающее микроволновую или радиочастотную мощность только в одном направлении. Невзаимность, наблюдаемая в этих устройствах, обычно возникает из-за взаимодействия распространяющейся волны с материалом, которое может быть различным в зависимости от направления распространения.
Он используется для защиты оборудования на входной стороне от воздействия условий на выходной стороне; например, для предотвращения расстройки источника микроволн из-за несогласованной нагрузки.
Изолятор — это невзаимное устройство с несимметричной матрицей рассеяния . Идеальный изолятор передает всю мощность, входящую в порт 1, в порт 2, поглощая при этом всю мощность, входящую в порт 2, так что с точностью до фазового фактора его S-матрица равна
Для достижения невзаимности изолятор обязательно должен включать невзаимный материал. На микроволновых частотах этот материал обычно представляет собой феррит, который смещается статическим магнитным полем [1], но может быть самосмещающимся материалом. [2] Феррит располагается внутри изолятора таким образом, что микроволновый сигнал представляет ему вращающееся магнитное поле, причем ось вращения совпадает с направлением статического поля смещения. Поведение феррита зависит от направления вращения относительно поля смещения и, следовательно, отличается для микроволновых сигналов, распространяющихся в противоположных направлениях. В зависимости от точных условий эксплуатации сигнал, распространяющийся в одном направлении, может быть либо сдвинут по фазе, либо смещен из феррита, либо поглощен.
Наиболее распространенные типы изоляторов на основе феррита подразделяются на четыре категории: конечные циркуляторы, изоляторы вращения Фарадея, изоляторы смещения поля и резонансные изоляторы. Во всех этих типах устройств наблюдаемая невзаимность возникает из-за взаимодействия волны с материалом, которое зависит от направления распространения.
В этом типе феррит поглощает энергию из микроволнового сигнала, распространяющегося в одном направлении. Подходящее вращающееся магнитное поле находится в доминирующей моде TE 10 прямоугольного волновода . Вращающееся поле существует вдали от центральной линии широкой стенки, по всей высоте волновода. Однако, чтобы тепло от поглощенной мощности могло отводиться, феррит обычно не простирается от одной широкой стенки до другой, а ограничивается неглубокой полосой на каждой грани. Для заданного поля смещения резонансное поглощение происходит в довольно узкой полосе частот, но поскольку на практике поле смещения не является идеально равномерным по всему ферриту, изолятор функционирует в несколько более широкой полосе.
Этот тип внешне очень похож на резонансный абсорбционный изолятор, но магнитное смещение отличается, и энергия от обратно распространяющегося сигнала поглощается резистивной пленкой или картой на одной стороне ферритового блока, а не внутри самого феррита.
Поле смещения слабее, чем необходимо для возникновения резонанса на рабочей частоте, но вместо этого предназначено для придания ферриту почти нулевой проницаемости для одного направления вращения поля микроволнового сигнала. Полярность смещения такова, что это особое условие возникает для прямого сигнала; обратный сигнал видит феррит как обычный диэлектрический материал (с небольшой проницаемостью, поскольку феррит уже насыщен полем смещения). Следовательно, для электромагнитного поля прямого сигнала феррит имеет очень низкое характеристическое волновое сопротивление , и поле имеет тенденцию исключаться из феррита. Это приводит к нулю электрического поля прямого сигнала на поверхности феррита, где размещена резистивная пленка. Наоборот, для обратного сигнала электрическое поле сильное над этой поверхностью, и поэтому его энергия рассеивается при движении тока через пленку.
В прямоугольном волноводе ферритовый блок обычно занимает всю высоту от одной широкой стенки до другой, а резистивная пленка располагается на стороне, обращенной к центральной линии волновода.
Циркулятор — это невзаимное трех- или четырехпортовое устройство, в котором мощность, поступающая на любой порт, передается на следующий порт поочередно (только). Таким образом, с точностью до фазового множителя матрица рассеяния для трехпортового циркулятора равна
Двухпортовый изолятор получается просто путем завершения одного из трех портов согласованной нагрузкой , которая поглощает всю входящую в него мощность. Смещенный феррит является частью циркулятора и вызывает дифференциальный сдвиг фазы для сигналов, распространяющихся в разных направлениях. Поле смещения ниже, чем необходимо для резонансного поглощения, и поэтому этот тип изолятора не требует такого тяжелого постоянного магнита. Поскольку мощность поглощается во внешней нагрузке, охлаждение представляет меньшую проблему, чем в случае с изолятором резонансного поглощения.
Последний физический принцип, полезный для проектирования изоляторов, — это вращение Фарадея . Когда линейно поляризованная волна распространяется через феррит, намагниченность которого совпадает с направлением распространения волны, плоскость поляризации будет вращаться вдоль оси распространения. Это вращение может быть использовано для создания микроволновых устройств, таких как изоляторы, циркуляторы, гираторы и т. д. В топологии прямоугольного волновода также требуется реализация круглых волноводных секций, которые выходят из плоскости устройства.
Fox, AG; Miller, SE; Weiss, MT (январь 1955 г.). «Поведение и применение ферритов в микроволновом диапазоне» (PDF) . Bell System Technical Journal . 34 (1). Bell Labs: 5–103. doi :10.1002/j.1538-7305.1955.tb03763.x.
Баден Фуллер, А. Дж. (1969). Микроволны (1-е изд.). Pergamon Press. ISBN 0-08-006616-X.
Баден Фуллер, А. Дж. (1987). Ферриты на частотах микроволн. Серия IEE по электромагнитным волнам. Питер Перегринус. ISBN 0-86341-064-2.
